Фізики продемонстрували першу квантову комп’ютерну мережу

Одна справа – мріяти про квантовий Інтернет, який міг би надсилати захищену від хакерів інформацію по всьому світу через фотони, накладені в різних квантових станах. Зовсім інша справа фізично показати, що це можливо.

Це саме те, що зробили фізики з Гарварду, використовуючи існуюче телекомунікаційне волокно Бостона, щоб продемонструвати найдовшу у світі відстань у волокні між двома вузлами квантової пам’яті. Подумайте про це як про простий замкнутий Інтернет між точками А та Б, що передає сигнал, закодований не класичними бітами, як існуючий Інтернет, а абсолютно безпечними окремими частинками світла.

Новаторська робота під назвою «Заплутаність вузлів нанофотонної квантової пам’яті в телекомунікаційній мережі » та опублікована в Nature була проведена під керівництвом Михайла Лукіна, професора фізичного факультету Університету Джошуа та Бет Фрідман, у співпраці з професорами Гарварду Марко Лончаром і Хонгкуном. Пак, які разом із дослідниками Amazon Web Services є членами Гарвардської квантової ініціативи .

Команда з Гарварду встановила практичні задатки першого квантового Інтернету, об’єднавши два вузли квантової пам’яті, розділені волоконно-оптичним зв’язком, розгорнутим приблизно через 22-мильну петлю через Кембридж, Сомервілл, Вотертаун і Бостон. Два вузли були розташовані на одному поверсі в Гарвардській лабораторії інтегрованої науки та техніки.

Квантова пам’ять, аналогічна класичній комп’ютерній пам’яті, є важливим компонентом взаємопов’язаного майбутнього квантових обчислень, оскільки вона дозволяє виконувати складні мережеві операції, а також зберігати й отримувати інформацію. Хоча інші квантові мережі були створені в минулому, команда Гарварду є найдовшою оптоволоконною мережею між пристроями, яка може зберігати, обробляти та переміщувати інформацію.

Кожен вузол — це дуже маленький квантовий комп’ютер, виготовлений зі шматка алмазу, який має дефект у своїй атомній структурі, званий центром кремнієвих вакансій. Всередині алмазу різьблені структури розміром менше сотої людської волосини підсилюють взаємодію між центром кремнієвої вакансії та світлом.

Кремнієвий вакансійний центр містить два кубіти, або біти квантової інформації: один у формі електронного спіну, який використовується для зв’язку, а інший у довгоживучому ядерному спіні, який використовується як кубіт пам’яті для зберігання заплутаності (квантово-механічний властивість, яка дозволяє інформації бути ідеально корельованою на будь-якій відстані).

Обидва спіни повністю контролюються мікрохвильовими імпульсами. Ці алмазні пристрої — всього кілька квадратних міліметрів — розміщені всередині холодильних установок розведення, які досягають температури -459°F.

Використання кремнієвих вакансійних центрів як пристроїв квантової пам’яті для окремих фотонів було багаторічною дослідницькою програмою в Гарварді. Ця технологія вирішує головну проблему теоретизованого квантового Інтернету: втрату сигналу, яку неможливо посилити традиційними способами.

Квантова мережа не може використовувати стандартні оптоволоконні повторювачі сигналу, оскільки копіювання довільної квантової інформації неможливо, що робить інформацію безпечною, але її також дуже важко транспортувати на великі відстані.

Вузли мережі на основі кремнієвих центрів вакансій можуть ловити, зберігати та заплутувати біти квантової інформації, одночасно коригуючи втрату сигналу. Після охолодження вузлів до абсолютного нуля світло проходить через перший вузол і, за природою атомної структури центру вакансії кремнію, заплутується з ним.

«Оскільки світло вже заплуталося з першим вузлом, воно може перенести це заплутування на другий вузол», — пояснив перший автор Кан Кнаут, студент Вищої школи мистецтв і наук Кеннета С. Гріффіна в лабораторії Лукіна. «Ми називаємо це фотонним заплутанням».

Протягом останніх кількох років дослідники орендували оптичне волокно в компанії в Бостоні для проведення своїх експериментів, встановлюючи свою демонстраційну мережу поверх існуючого волокна, щоб показати, що створення квантового Інтернету з подібними лініями мережі буде можливим.

«Показ того, що вузли квантової мережі можуть бути заплутані в реальному середовищі дуже жвавого міського району, є важливим кроком до практичної мережі між квантовими комп’ютерами», — сказав Лукін.

Двовузлова квантова мережа – це лише початок. Дослідники старанно працюють над розширенням продуктивності своєї мережі, додаючи вузли та експериментуючи з більшою кількістю мережевих протоколів.